Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Viena, da Academia Austríaca de Ciências e da Universidade de Duisburg-Essen descobriu um novo mecanismo que altera fundamentalmente a interação entre nanopartículas levitadas opticamente. Seu experimento demonstra níveis anteriormente inatingíveis de controle sobre o acoplamento em matrizes de partículas, criando assim uma nova plataforma para estudar fenômenos físicos complexos. Os resultados são publicados na edição desta semana da Science .
Imagine partículas de poeira flutuando aleatoriamente na sala. Quando um laser é ligado, as partículas experimentam forças de luz e, uma vez que uma partícula se aproxima demais, ela fica presa no foco do feixe. Esta é a base do trabalho pioneiro do prêmio Nobel de pinças ópticas de Arthur Ashkin. Quando duas ou mais partículas estão na vizinhança, a luz pode ser refletida para frente e para trás entre elas para formar ondas estacionárias de luz, nas quais as partículas se alinham como um cristal de partículas ligadas pela luz. Esse fenômeno, também chamado de ligação óptica, é conhecido e estudado há mais de 30 anos.

Foi uma grande surpresa para os pesquisadores em Viena quando viram um comportamento completamente diferente do esperado ao estudar as forças entre duas nanopartículas de vidro. Eles não apenas podiam mudar a força e o sinal da força de ligação, mas podiam até ver uma partícula, digamos a esquerda, agindo sobre a outra, a direita, sem que a direita agisse de volta à esquerda. O que parece ser uma violação da terceira lei de Newton (tudo o que está sendo atuado age de volta com a mesma força, mas de sinal oposto) é o chamado comportamento não recíproco e ocorre em situações em que um sistema pode perder energia para seu ambiente, neste caso o laser. Algo estava obviamente faltando em nossa teoria atual de ligação óptica.

O truque secreto por trás desse novo comportamento é a "dispersão coerente", um fenômeno que os pesquisadores de Viena já vêm investigando nos últimos anos. Quando a luz do laser atinge uma nanopartícula, a matéria dentro da partícula se polariza e segue as oscilações da onda eletromagnética da luz. Como consequência, toda a luz que é espalhada pela partícula oscila em fase com o laser incidente. Ondas que estão em fase podem interferir. Recentemente, os pesquisadores de Viena usaram esse efeito de interferência fornecido pela dispersão coerente para resfriar pela primeira vez uma única nanopartícula à temperatura ambiente para seu estado de movimento quântico fundamental.

Quando Uroš Delić, pesquisador sênior do grupo de Markus Aspelmeyer na Universidade de Viena e primeiro autor do trabalho de resfriamento anterior, começou a aplicar espalhamento coerente a duas partículas, ele percebeu que efeitos de interferência adicionais ocorrem. "A luz que é espalhada por uma partícula pode interferir na luz que prende a outra partícula", explica Delić. "Se a fase entre esses campos de luz pode ser ajustada, a força e o caráter das forças entre as partículas também podem ser ajustados."

Para um conjunto de fases, recupera-se a conhecida ligação óptica. Para outras fases, no entanto, ocorrem efeitos anteriormente não observados, como forças não recíprocas. "Acontece que as teorias anteriores não levavam em conta a dispersão coerente nem o fato de que os fótons também se perdem. Quando você adiciona esses dois processos, obtém interações muito mais ricas do que se pensava ser possível", diz Benjamin Stickler, membro da equipe da Alemanha que trabalha na descrição teórica refinada:"...e experimentos anteriores também não foram sensíveis a esses efeitos."

A equipe de Viena queria mudar isso e começou a explorar essas novas forças induzidas pela luz em um experimento. Para conseguir isso, eles usaram um laser para gerar dois feixes ópticos, cada um prendendo uma única nanopartícula de vidro de cerca de 200 nm de tamanho (cerca de 1.000 vezes menor que um grão de areia típico). Em seu experimento, eles foram capazes de alterar não apenas a distância e a intensidade dos feixes de armadilha, mas também a fase relativa entre eles. A posição de cada partícula oscila na frequência dada pela armadilha e pode ser monitorada com alta precisão no experimento. Como cada força na partícula aprisionada muda essa frequência, é possível monitorar as forças entre elas enquanto a fase e a distância estão sendo alteradas.

Para garantir que as forças sejam induzidas pela luz e não pelo gás entre as partículas, o experimento foi realizado no vácuo. Dessa forma, eles poderiam confirmar a presença das novas forças induzidas pela luz entre as partículas presas. "Os acoplamentos que vemos são mais de 10 vezes maiores do que o esperado da ligação óptica convencional", diz Ph.D. estudante Jakob Rieser, o primeiro autor do estudo. “E vemos assinaturas claras de forças não recíprocas quando alteramos as fases do laser, tudo conforme previsto em nosso novo modelo”.

Os pesquisadores acreditam que seus insights levarão a novas formas de estudar fenômenos complexos em sistemas multipartículas. "A maneira de entender o que está acontecendo em sistemas genuinamente complexos é estudar sistemas modelo com interações bem controladas", diz o pesquisador Uroš Delić. “A coisa realmente fascinante aqui é que encontramos uma caixa de ferramentas completamente nova para controlar interações em matrizes de partículas levitadas”. Os pesquisadores se inspiram também na física atômica, onde, há muitos anos, a capacidade de controlar interações entre átomos em redes ópticas basicamente deu início ao campo dos simuladores quânticos. "Ser capaz de aplicar isso agora no nível de sistemas de estado sólido pode ser um divisor de águas semelhante." + Explorar mais

Medição de posição de uma nanopartícula levitada por meio de interferência com sua imagem espelhada